刘佳瑞,刘蕴韬,倪 宁,陈义珍,侯金兵,王子琳,赵 旭,丁雨阳

(中国原子能科学研究院,中核核工业计量与测试技术重点实验室,北京 102413)

在核设施发生重大核事故后,迅速获取事故发生区域内泄漏污染情况对于核与辐射事故应急决策机构了解事故的基本情况、正确判断事故严重程度、进行应急决策和指导制定事故早期的应对措施具有至关重要的意义[1-3]。迅速获取污染区域周边地区的辐射剂量率分布情况,不仅对于采取正确应对措施,保护公众免受辐射危害有重要意义,还能够为事故后期的污染区域恢复,撤离居民的返迁等措施提供技术支持。自2005年5月国务院办公厅颁布《国家核应急预案》(第三版)以来,我国已经初步建成了国家、核设施运营单位和所在省的核应急指挥中心,基础设施已经投入运行。地面应急辐射监测、核事故医学应急援救和核应急决策支持等专业技术支持力量也取得了一定的进展。但是日本福岛核电站事故后的应对能力和应急快速监测技术的不足,提示我们急需提升应急快速监测能力[4-6]。尤其是当多重灾难叠加导致的核与辐射重大事故,可能造成严重的核泄漏及放射性污染,现场通道会遭到严重破坏,使探测设备无法快速通过地面通道进入现场对放射性泄漏和污染情况进行探查。此时通过低空近地表面测量是最可行方法。因此,本研究研制无人机载核辐射监测系统,适用于应急水平的辐射监测,能够在核事故发生后迅速从空中进入污染区域获取实时辐射剂量率分布情况。

在切尔诺贝利事故后,航空核辐射测量技术及其装备得到前所未有的发展,并大量应用于环境监测和地质勘测。芬兰辐射与核安全局和芬兰赫尔辛基大学共同研制的航空辐射测量系统[7]能够测量放射性物质的外照射剂量、识别核素和取样放射性烟羽等。意大利的SNIFFER系统采用固定翼飞机搭载了环境辐射剂量测量和分析设备、气溶胶采样测量设备及通讯设备,实现了环境辐射测量功能。上世纪80年代,中国核工业航测遥感中心引进国外技术,组建了我国第一套航空核辐射测量系统,在上世纪90年代初对秦山和上海地区进行了天然放射性及相关环境要素的航空监测,取得了很好的效果[8-10]。虽然核应急辐射测量工作已经在国内外开展多年,机载辐射监测设备也有了较长足的发展,但是上述工作主要是在高空大范围内开展的环境普查测量,并不适用于重大核事故背景下小范围内低空近地应急测量。

因此,研制基于六旋翼无人机的核辐射监测系统,开展0～100 m(本研究将0～100 m定义为“低空”)的低空近地辐射测量很有必要。该系统由于距离地面较近,具有精度高、分辨力强和响应迅速等优点,对重大核事故下应急响应具有重要意义。

1 系统结构及工作原理

无人机载核辐射监测系统主要由宽量程G-M计数管、溴化铈闪烁体探测器、数据采集系统与数据传输系统以及六旋翼无人机组成,前三者搭载在六旋翼无人机上,由无人机对其进行供电。主要工作原理为:六旋翼无人机负责执行0～100 m的低空飞行任务,宽量程G-M计数管和溴化铈闪烁体探测器负责测量低空环境的实时辐射剂量率和能谱数据。G-M计数管和溴化铈谱仪每秒采集一次环境中的辐射剂量率和能谱,无人机的飞控数据(经纬度、飞行高度等)同样每秒更新一次。通过数据采集与传输系统收集以上两个探测器的实时测量结果,并且随无人机飞控数据一起实时传输至地面控制站进行保存,便于后续的分析。通过无人机载核辐射监测系统,工作人员可在地面对指定区域的辐射情况进行实时监测。

2 系统探测器设计

2.1 宽量程G-M计数管

无人机载核辐射监测系统选取宽量程G-M计数管执行低空辐射剂量率的测量任务。G-M计数管以气体电离为基础,具有环境适应性好、灵敏度高、稳定性好、重量轻和成本低等优点,适用于多种核辐射场所的剂量率测量。宽量程G-M计数管型探测器主要由高-低双量程G-M计数管、电压比较器、单稳态触发器及电源组成,如图1所示。宽量程G-M计数管型探测器测量范围为0.1 μGy/h～1 Gy/h,可覆盖环境水平至应急水平的剂量率。

图1 宽量程G-M计数管型探测器设计图Fig.1 Wide range G-M counter tube detector design

G-M计数管由密封于玻璃管中的金属圆管作为阴极,钨丝作为阳极,内充惰性气体(氖、氦)和卤族气体,工作电压为5 V。高-低双量程G-M计数管由两个不同量程的辐射剂量率探头组成,如图2所示,其中低量程部分的测量范围为0.1 μGy/h～3 mGy/h,高量程部分的测量范围为3 mGy/h～1 Gy/h。二者可通过继电器实现探测器量程的自动切换,切换量程在3 mGy/h左右。

图2 高-低双量程G-M计数管Fig.2 High-low dual range G-M counter tubes

继电器是一种电磁控制开关,通常由线圈、铁芯、触点等部分组成。继电器内部的线圈能够产生磁场,在受到控制信号时,吸引或释放铁芯,从而使触点发生开闭动作,实现对电路的控制,发挥电源隔离的作用,达到切换量程的目的。

双量程G-M计数管通过电压比较器实现对探头输出信号的自动控制,其主要功能是将两个电压进行比较,并输出相应的比较结果,具体过程为将探头输出的连续可变的模拟信号转换为脉冲幅度相同的方波信号。电压转换阈值被设置为0.7 V,能够过滤掉大部分噪声。当电压比较器有信号输出时,单稳态触发器会触发计数器进行计数累加。

单稳态触发器是一种能产生有限持续时间输出脉冲的电子电路,具有一个稳定状态和一个暂稳状态。在触发输入端接收到由电压比较器输出的触发信号时,触发器将从稳定状态切换到暂稳状态,并在一段预定时间内保持该状态,继而自动返回到原始状态。上述过程中,输出端将会产生一个有限持续时间的脉冲,进而触发计数器实现计数累加。

在国防科技工业电离辐射一级计量站γ射线标准实验室中对G-M计数管进行校准,在0.1 μGy/h～10 mGy/h范围内,每个量级选取1个参考点进行测量。在参考辐射场中参考点空气吸收剂量率D已知,根据公式(1)计算G-M计数管的校准因子N,校准结果列于表1。

表1 G-M计数管在参考场中的校准数据Table 1 Calibration data of G-M counter in reference field

(1)

式中:N为参考辐射场中G-M计数管的校准因子,无量纲;D为参考辐射场中参考点处的空气吸收剂量率约定真值,μGy/h;M为参考辐射场中G-M计数管的读数,μGy/h。

根据表1所示,在0.1 μGy/h～10 mGy/h范围内,G-M计数管相对误差小于5.2%,满足测试需求。

2.2 溴化铈闪烁体探测器

2.2.1设备选型 除测量低空辐射剂量率外,无人机载核辐射探测系统也可用于测量0～100 m低空能谱数据,选取CeBr3闪烁体探测器实现低空能谱测量。CeBr3探测器有较高的密度、较高的阻止本领、较快的闪烁时间、较高的能量分辨率以及较稳定的温度特性,适用于低空近地范围内γ射线能谱的快速测量。无人机载核辐射探测器采用荷兰SCIONIX公司制造的51B51型CeBr3闪烁体探测器,实物照片示于图3,进行0～100 m低空γ射线能谱数据测量,其中CeBr3晶体的技术参数列于表2。

表2 51B51型CeBr3晶体技术参数Table 2 51B51 type of CeBr3 crystal technical parameters

图3 51B51型CeBr3探测器Fig.3 51B51 type of CeBr3 detector

CeBr3闪烁体晶体、光电倍增管与电荷灵敏前置放大器共同构成闪烁体探测器的探头,CeBr3晶体输出的光信号通过光电倍增管进行逐级放大。电阻自放型电荷灵敏放大器和复位型电荷灵敏放大器共同构成电荷灵敏前置放大器,根据计数率自适应选择前置放大器电路,能够优化不同剂量率下的能谱测量结果。前置放大电路输出信号通过微分电路和主放大器后进入数字多道脉冲幅度分析器,一体式数字化能谱仪示于图4,实现2 000～8 000可调道数。

图4 一体式数字化能谱仪Fig.4 All-in-one digital spectrometer

2.2.2能量校准 CeBr3探测器在执行低空能谱的测量任务前应进行能量校准和效率校准。校准实验的布局示于图5,使用网格状实验平台进行标准放射源和探测器之间的距离定位。将不同核素的标准放射源放置在距探测器30 cm的同一位置进行能谱测量,实验所用放射源信息列于表3。

表3 CeBr3探测器校准用标准放射源信息Table 3 CeBr3 detector calibration standard radioactive source data

图5 CeBr3探测器校准实验布局Fig.5 CeBr3 detector calibration experiment layout

CeBr3探测器分别对(241Am、137Cs、60Co)混合源、133Ba点源、152Eu点源等标准放射源进行了能谱测量,γ能谱示于图6～图8。

图6 CeBr3探测器测得241Am、137Cs、60Co能谱图Fig.6 Energy spectrum of 241Am, 137Cs,60Co measured by CeBr3 detector

图7 CeBr3探测器测得133Ba能谱图Fig.7 Energy spectrum of 133Ba measured by CeBr3 detector

图8 CeBr3探测器测得的152Eu能谱图Fig.8 Energy spectrum of 152Eu measured by CeBr3 detector

在能量区间内确定多个校准点数据,按公式(2)用最小二乘法拟合得到能量校准函数:

(2)

式中:Ei为对应道数Ci的能量,keV;a为描述道址之间能量增益的系数,无量纲;n为道址的指数,无量纲。

在进行能量校准时,可同时确定全能峰的半高宽FWHM,建立FWHM与γ射线能量或峰位置的关系。不同放射源的能量校准数据列于表4所示,校准结果显示,由拟合函数计算得到的能量值与实际能量值的相对偏差≤±2.07%。

表4 CeBr3探测器能量校准数据Table4 CeBr3 detector energy calibration data

将CeBr3探测器的能量校准实验数据进行拟合,得到的拟合曲线示于图9,可以得出CeBr3探测器的能量校准曲线的线性较好。

图9 CeBr3探测器能量校准拟合曲线Fig.9 CeBr3 detector energy calibration fitting curve

3 数据采集与传输系统研制

数据采集与传输系统用于将无人机控制数据(飞行高度、经纬度信息等)和无人机载核辐射探测器的测量结果(辐射剂量率和能谱数据)采集并传输至无人机地面控制站,在地面控制上连接终端即可对数据进行保存和后续解析处理。数据采集与传输系统通过传输端和接收端进行实时数据的发送和接收。无人机的数据通信链路包括机载端与地面端两个部分,采用2.4 GHz频段的射频方式进行通信,传输距离最高可达10 km。机载端为辐射监测系统提供串行通信接口(以下简称“串口”),通信数据流从无人机载核辐射探测器按照指定格式帧的要求传输至该串口。同时,机载端负责将测量数据整合到数据通信链路中进行传输。地面端提供数据获取接口协议,连接地面控制站的终端可以根据协议获取实时的数据流完成通信。

数据采集与传输系统通过4个串口实现数据流的采集与传输功能,分别为G-M计数管串口、CeBr3探测器串口、通讯串口以及电源串口,如图10所示。通过变压器将无人机锂电池的电压降至5 V,用于为数据采集与传输系统、CeBr3探测器和G-M计数管供电。数据采集与传输系统通过G-M计数管串口和CeBr3探测器串口采集无人机载核辐射探测器的测量结果,继而由通讯串口将其传输至无人机的飞控系统中。最后通过无人机的数据通信链路,将测量结果和飞控数据以射频方式从机载端传输至地面控制站进行保存和分析。

图10 数据采集与传输系统Fig.10 Data acquisition and transmission system

4 飞行平台设计

4.1 六旋翼无人机

本系统采用电动六旋翼无人机作为飞行平台,执行0～100 m的飞行任务,并为无人机载核辐射探测器、数据采集与传输系统提供电力服务。该型号六旋翼无人机经过在河南安阳的现场测试,可达技术指标。探测范围与检测时间:10 000 m2/40 min;载重不低于5 kg,续航时间不低于40 min。六旋翼无人机的其他技术指标列于表5。

4.2 搭载设备

无人机搭载设备有408万像素的30倍双光跟踪吊舱、雷达高度计以及无人机载核辐射监测系统吊舱,通过地面控制站实现设备的实时通信。30倍双光跟踪吊舱负责获取实时图像,雷达高度计负责获取飞行高度,测量精度为0.1 m。

无人机载核辐射监测系统吊舱内部照片示于图11。CeBr3探测器、G-M计数管及数据采集与传输系统需统一固定在无人机载核辐射监测系统吊舱内部。无人机载核辐射监测系统吊舱照片示于图12。无人机载核辐射监测系统吊舱由铝材料组成,能够减少γ射线的衰减。无人机载核辐射监测系统照片示于图13。无人机载核辐射监测系统吊舱可以固定在六旋翼无人机上,与六旋翼无人机共同构成无人机载核辐射监测系统,能够执行0～100 m的低空辐射剂量率和能谱的测量任务。无人机载核辐射监测系统吊舱也可从无人机上取下,进行无人机载核辐射探测器的校准与维护。

图11 无人机载核辐射监测系统吊舱内部Fig.11 Inside the Drone-borne nuclear radiation monitoring system pod

图12 无人机载核辐射监测系统吊舱Fig.12 Drone-borne nuclear radiation monitoring system pod

图13 无人机载核辐射监测系统Fig.13 Drone-borne nuclear radiation monitoring system

5 小结

本研究研制的无人机载核辐射监测系统以六旋翼无人机作为飞行平台,执行0～100 m的低空辐射测量任务。无人机载核辐射探测器由宽量程G-M计数管和CeBr3闪烁体型探测器组成,负责测量低空辐射剂量率和能谱数据。本研究对宽量程G-M计数管进行了校准,结果表明,在0.1 μGy/h～10 mGy/h的测量范围内,相对误差小于5.2%。对CeBr3探测器进行了能量校准和效率校准,确认其可进行低空γ射线的能谱测量。研制数据采集系统与数据传输系统,实现将无人机载核辐射探测器的实时测量结果进行采集,并同飞行控制数据一起传输至地面控制站进行保存,为后续对低空辐射测量结果的解析与反演提供技术支持。